DE69419156T2

DE69419156T2 - Einspritzdüse und verfahren zum betreiben derselben

Info

Publication number: DE69419156T2
Application number: DE69419156T
Authority: DE
Inventors: Theodore Fox; Aaron Hu; Donald Lemon; Barry Schlein
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2014-07-14
Also published as: EP0710347B1; US5423173A; EP0710347A1; DE69419156D1; WO1995004244A1; JP3782822B2; JPH09501486A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einspritzen von gasförmigem oder flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer mit Wasser in der gasförmigen Zustandsform von Dampf oder in Form von Flüssigkeit. Obschon diese Erfindung entwickelt worden ist auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke, ist sie anwendbar bei jeder Maschine mit einem Strömungsweg für verdichtete Luft, der sich durch eine Brennkammer erstreckt.

HINTERGRÜNDIGER STAND DER TECHNIK

Ein typisches, industrielles Axialströmungsgasturbinentriebwerk hat einen Verdichterabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch die Abschnitte des Triebwerkes.
Am Einlass zu dem Verdichterabschnitt sind die Gase hauptsächlich Luft. Bei der Strömung der Arbeitsmediumgase längs dem Strömungsweg werden die Gase verdichtet in dem Verdichterabschnitt, wodurch die Temperatur und der Druck der Gase ansteigt. Die Temperatur der Gase, welche den Verdichterabschnitt verlassen, kann 425ºC (achthundert Grad Fahrenheit) übersteigen.
Die heissen, verdichteten Gase strömen von dem Verdichterabschnitt in den Verbrennungsabschnitt. In dem Verbrennungsabschnitt werden die Gase mit Kraftstoff vermischt und werden verbrannt, um den Gasen Energie zuzuführen. Diese heissen, Hochenergiegase werden durch den Turbinenabschnitt entspannt zur Erzeugung von nutzbarer Arbeit, wie zum Beispiel zum Antrieb eines Turbinenrotors, der den Verdichter antreibt und zum Antrieb einer zweiten (oder freien) Turbine, die getrieblich mit einer Pumpe oder einem elektrischen Generator verbunden sein kann.
Der Verbrennungsabschnitt hat eine oder mehrere Brennkammern und eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen zum Zuführen von Luft- und Kraftstoff zu den Brennkammern. Ein Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse ist beschrieben in der US-A-4,377,618, welche das Abgeben von Kraftstoff in einen Luftstrom zeigt, so dass die Vermischung des Kraftstoffes und der Luft innerhalb einer inneren Kammer erfolgt. Ein ringförmiger, zweiter Durchlass 68 ausserhalb eines ersten Durchlasses 62 stellt einen Strömungsweg für Luft- und Wasser bereit. Ein gasförmiger Kraftstoff fliesst durch einen dritten Durchlass 44, 46, der sich radial ausserhalb der zwei ersten Durchlässe befindet.
Ein anderes Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse, entsprechend dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche ist in der US-A-4,977,740 gezeigt. In der US-A-4,977,740 bilden zwei radial beabstandete Durchlässe Wirbelluftsäulen. Ein Durchlass für flüssiges Fluid befindet sich zwischen den Luftdurchlässen zum Einspritzen von Flüssigkraftstoff oder Wasser zwischen die Wirbelluftsäulen. Ein Durchlass 116 für gasförmigen Kraftstoff befindet sich ausserhalb des äussersten Luftdurchlasses und dient zum unabhängigen Einspritzen von gasförmigem Kraftstoff oder Dampf in die Verbrennungszone stromabwärts der Brennkammer.
Es wird ebenfalls verwiesen auf die GB-A-2 021 254, die eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung zeigt, zum Einspritzen von gasförmigem oder flüssigem Kraftstoff. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 der GB-A-2 021 254, in der Betriebsweise wobei gasförmiger Kraftstoff eingespritzt wird (bei unterbrochener Strömung des Flüssigkraftstoffes), wird der gasförmige Kraftstoff vermischt mit einem Wirbelluftstrom, bevor er von der Einspritzdüsenvorrichtung abgegeben wird.
Trotz des erwähnten Standes der Technik arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure unter der Anleitung von United Technologies Corporation an der weiteren Verbesserung von Kraftstoffeinspritzdüsenvorrichtungen, insbesondere der Bauart gemäss der US-A-4 977,740.

ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, dass durch Vorvermischung von gasförmigem Kraftstoff mit einer rotierenden Luftsäule vor dem Vermischen der Luftsäule mit einer zweiten Luftsäule und einem Fluid wie zum Beispiel Wasser ein Verbrennungsprozess erreicht wird, der weniger Wasser benötigt und dementsprechend weniger Kohlenmonoxid (CO) erzeugt, zum Erzielen eines akzeptablen Wertes von Stickoxidemissionen. Und, nahezu das gleiche Ergebnis wird erreicht durch innige Vermischung dieses rotierenden Luftstromes mit Dampf vor dem Einspritzen des Dampfes in den Bereich, wo die rotierenden Luftströme zusammen mit Kraftstoff vermischt werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung, wie in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 24 beschrieben ist, vermischt eine Kraftstoffeinspritzdüse mit ringförmigen Strömen von Wirbelluft zum Vermischen der Luft mit Kraftstoff und zugeführtem Wasser in Form eines gasförmigen Fluids oder eines flüssigen Fluids, das gasförmige Fluid (entweder Kraftstoff oder Dampf) mit einem der rotierenden Luftströme vor dem Vermischen beider Fluids zusammen mit beiden Luftströmen.
Gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vermischt die Kraftstoffeinspritzdüse gasförmigen Kraftstoff, in einem äusseren Durchlass zur Umwirbelung des äusseren Luftstroms, vor dem Vermischen des rotierenden, äusseren Luftstroms mit 1) einem inneren rotierenden Luftstrom von einem ersten, inneren Durchlass und 2) Wasser im flüssigen Zustand von einem zweiten, inneren Durchlass, der sich zwischen den beiden Luftdurchlässen befindet.
Gemäss einem besonderen Ausführungsbeispiel hat der äussere Luftdurchlass eine Wirbeleinrichtung, um der Luft eine Tangentialgeschwindigkeit zu erteilen und einen Mischabschnitt stromabwärts der Wirbeleinrichtung, jedoch stromaufwärts eines Beschleunigungsabschnittes in dem Durchlass, um eine innige Vermischung des gasförmigen Kraftstoffes mit der Luft zu erreichen, nachdem der gasförmige Kraftstoff in den Mischabschnitt eingeströmt ist.
Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Kraftstoffeinspritzdüse mit zwei radial beabstandeten Luftdurchlässen. Ein Durchlass für Flüssigfluid befindet sich zwischen den Luftdurchlässen. Ein anderes Merkmal ist ein Durchlass für gasförmiges Fluid zum Einleiten eines gasförmigen Fluids in einen der Luftdurchlässe. In einem besonderen Ausführungsbeispiel ist der Durchlass für gasförmiges Fluid in Strömungsverbindung mit dem äusseren Luftdurchlass. Der Durchlass für gasförmiges Fluid kann in Strömungsverbindung sein mit einer gasförmigen Kraftstoffquelle oder einer Quelle von gasförmigem Wasser (Dampf). In einem anderen bestimmten Ausführungsbeispiel hat die Kraftstoffeinspritzdüse einen Durchlass zum Einleiten von Dampf hauptsächlich in den inneren Luftstrom, den äusseren Luftstrom oder in beide Luftströme.
In einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist ein besonderes Merkmal die Wirbeleinrichtung in dem Luftdurchlass, durch den das gasförmige Fluid strömt und ein Beschleunigungsabschnitt stromabwärts der Wirbeleinrichtung. Ein Mischabschnitt liegt zwischen dem Beschleuningungsabschnitt und der Wirbeleinrichtung zur Aufnahme des gasförmigen Fluids.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist der Kohlenmonoxidwert für einen vorbestimmten Wert von Stickoxidemissionen, der erreicht wird durch Vorsehen einer Kraftstoffeinspritzdüse zur innigen Vermischung von gasförmigem Kraftstoff oder Dampf mit einem Wirbelluftstrom in der Kraftstoffeinspritzdüse vor der weiteren Vermischung mit gasförmigen und flüssigen Fluids. Ein anderer Vorteil ist der Vorvermischungsgrad, der erzielt wird durch den Beschleuningungsabschnitt in der Kraftstoffeinspritzdüse zur Beschleunigung der Strömung durch Verringerung des Durchflußquerschnittes und Überführung des Wirbelstroms auf einen kleineren Durchmesser unter Ausnutzung der Erhaltung des Drehimpulses zur Verbesserung der Vermischung. Ein anderer Vorteil ist die Lebensdauer der Kraftstoffeinspritzdüse, die erreicht wird, indem die Zündung des vorvermischten Kraftstoffes mit dem Luftstrom verhindert wird durch Auswahl der Einspritzstelle des gasförmigen Kraftstoffes an einer Stelle, um eine übermässige Verweilzeit des Kraftstoff-Luftgemisches in der heissen Umgebung der Kraftstoffeinspritzdüse zu verhindern.
Die erwähnten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich sein durch Würdigung der nachfolgenden, ausführlicheren Beschreibung des besten Beispieles zur Ausführung der Erfindung und der zugehörigen Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Axialstromrotationsmaschine mit einem Strömungsweg für Arbeitsmediumgase, wobei ein Teil des Triebwerkes weggebrochen ist, um einen Teil des Verbrennungsabschnittes des Motors zu zeigen.
Fig. 2 ist eine Querschnittansicht der Kraftstoffeinspritzdüsenvorrichtung gemäss der Fig. 1.
Fig. 3 ist eine vergrösserte Querschnittansicht eines Teiles der Kraftstoffeinspritzdüsenvorrichtung gemäss der Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Querschnittansicht eines anderen Ausführungsbeispieles der Kraftstoffeinspritzdüse gemäss Fig. 2 mit einem separaten Durchlass zum Einspritzen von Dampf.
Fig. 4a ist eine Querschnittansicht eines abgeänderten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung zum · Einspritzen von Dampf, welche in Fig. 4 gezeigt ist.
Fig. 5 ist eine auseinandergezogene Darstellung der Kraftstoffeinspritzdüse nach Fig. 4.

BESTES BEISPIEL ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Axialstromrotationsmaschine 10 eines industriellen Gasturbinenmotortyps. Das Triebwerk hat eine Achse A. Ein Verdichterabschnitt 12, ein Verbrennungsabschnitt 14 und ein Turbinenabschnitt 16 sind in Umfangsrichtung um die Achse A angeordnet. Ein ringförmiger Strömungsweg 18 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Achse A und nach hinten durch die Abschnitte des Triebwerkes.
Der Verdichterabschnitt 12 hat einen Diffusorbereich 22, der sich unmittelbar stromaufwärts des Verbrennungsabschnittes 14 befindet. Eine oder mehrere Brennkammern, wie durch die Brennkammer 24 in dem Verbrennungsabschnitt 14 dargestellt, ragen axial stromabwärts vom Diffuserbereich. Jede Brennkammer ist ausgelegt durch eine oder mehrere Öffnungen 26 zur Aufnahme von verdichteten Gasen in Form von Luft aus dem Diffusorbereich des Verdichterabschnittes. Diese Gase sind verhältnismässig heiss im Vergleich mit der Umgebungstemperatur jedoch verhältnismässig kühl im Vergleich mit den Verbrennungsprodukten, die in der Brennkammer erzeugt werden.
Eine Kraftstoffeinspritzdüse, wie durch die Kraftstoffeinspritzdüse 28 dargestellt, befindet sich in einer zugeordneten Öffnung 26 in der Brennkammer 24 zum Einleiten der verdichteten Gase (Luft) aus dem Verdichterabschnitt in die Brennkammer und zum Einspritzen von Kraftstoff in die Luft, nachdem die Luft in den Auslassbereich der Einspritzdüse abgeben worden ist. Ein Zünder (nicht dargestellt) ragt in die Brennkammer zum Zünden des Gemisches von Kraftstoff und Luft, wenn die Luft den Auslassbereich der Kraftstoffeinspritzdüse verlässt.
Wie schematisch dargestellt, ist das Gasturbinentriebwerk mit einem Vorrat von Fluids versehen, wie zum Beispiel eine Flüssigkraftstoffquelle 32, eine Quelle von gasförmigem Kraftstoff 34 und eine Wasserquelle 36. Ein Wärmetauscher 38 ist vorgesehen, um aus der Wasserquelle eine Dampfquelle zu schaffen. Der Dampf ist ein gasförmiges Fluid. Der Wärmetauscher kann regenerativ beheizt werden durch die heissen Auslassgase des Gasturbinenmotors.
Ein elektronischer Kraftstoffregler 42, wie zum Beispiel das Kraftstoffreglermodell gemäss den Baureihen DCS501, hergestellt von der Woodward Governor Company, Fort Collins, Colorado, regelt die Strömung des Flüssigkraftstoffes und des Wassers zu der Kraftstoffeinspritzdüse und eine Strömung von gasförmigem Kraftstoff und Dampf zum Zuführen von Kraftstoff oder Dampf zu der Kraftstoffeinspritzdüse. Eine erste Leitungseinrichtung 44 ist in Strömungsverbindung mit der Kraftstoffeinspritzdüse und ist ausgelegt, um in Strömungsverbindung zu sein mit der Quelle des gasförmigen Kraftstoffes und der Dampfquelle zum Zuführen von Kraftstoff oder Dampf zu der Kraftstoffeinspritzdüse. Eine zweite Leitungseinrichtung 46 ist in Strömungsverbindung mit der Kraftstoffeinspritzdüse und in Strömungsverbindung mit der Flüssigkraftstoffquelle und der Wasserquelle zum Zuführen von Flüssigkraftstoff, Wasser oder einem Gemisch von Flüssigkraftstoff und Wasser zu der Kraftstoffeinspritzdüse.
Die Fig. 2 ist eine vergrösserte Querschnittansicht der Kraftstoffeinspritzdüse 28, welche in Fig. 1 gezeigt ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse hat eine Achse Af, ein stromaufwärtiges Ende 48 und ein stromabwärtiges Ende 52. Die Kraftstoffeinspritzdüse hat eine innere Luftzufuhreinrichtung 54 mit einem kleineren Durchmesser am stromabwärtigen Ende und einem grösseren Durchmesser am stromaufwärtigen Ende. Eine erste, äussere Wand 56 ragt axial über das stromabwärtige Ende der inneren Luftzufuhreinrichtung. Die erste, äussere Wand hat eine äussere Fläche 55 am stromabwärtigen Ende, welche kegelförmig geformt ist und zur Achse Af der Kraftstoffeinspritzdüse geneigt ist. Die erste, äussere Wand ist radial beabstandet von der inneren Luftzufuhreinrichtung 54 unter Freilassung eines Durchlasses 57 für Flüssigkraftstoff dazwischen.
Ein Gehäuse 58 ragt axial über das stromabwärtige Ende der ersten, äusseren Wand und axial über den grösseren Durchmesserteil des stromaufwärtigen Endes der inneren Luftzufuhreinrichtung 54. Das Gehäuse hat Leitungsteile 62 und einen kegelförmigen Ablenkteil 64, die fest miteinander verbunden sind zur Bildung einer einteiligen Konstruktion. Alternativ könnten diese drei Teile auch aus einem einzigen Stück bestehen.
Die innere Luftzufuhreinrichtung 54 hat eine innere Wand 66, die sich in Umfangsrichtung erstreckt um die Achse Af der Kraftstoffeinspritzdüse unter Freilassung einer inneren Luftkammer 68 innerhalb der Wand. Die innere Luftkammer hat eine Länge Lc.
Die innere Wand hat ein Wärmeschild 70, das sich in Umfangsrichtung, um die innere Wand erstreckt zum Begrenzen der inneren Luftkammer und zum Abschirmen der inneren Wand gegenüber den verdichteten Gasen, welche vom Verdichter abgegeben werden und verhältnismässig heiss sind im Vergleich zu dem Flüssigkraftstoff in dem Durchlass 57 für den Flüssigkraftstoff. Die innere Wand 66 hat ein stromaufwärtiges Ende 72, das offen ist zur Aufnahme von Luft von einer stromaufwärtigen Stelle, wie zum Beispiel dem Diffusorbereich 22 des Verdichterabschnittes 12. Die innere Wand hat ein stromabwärtiges Ende 74 zum Abgeben von Luft in dem Auslassbereich 75 der Kraftstoffeinspritzdüse.
Die innere Luftzufuhreinrichtung 54 hat einen Mittelkörper 76, der massiv ist und vollständig innerhalb der inneren Kammer 68 liegt. Der Mittelkörper erstreckt sich axial in der inneren Kammer und hat eine axiale Länge Lcb.
Der Mittelkörper 76 hat eine äussere Fläche 78, welche axial verläuft und radial beabstandet ist von der inneren Wand unter Freilassung eines ersten ringförmigen Durchlasses 82 für Luft dazwischen. Der Mittelkörper erstreckt sich axial zu dem stromabwärtigen Ende 74 der inneren Wand 66 und bis in unmittelbare Nähe des stromabwärtigen Endes 74. Der Mittelkörper hat eine stromabwärtige Endfläche 84, welche radial verläuft, um sich mit der äusseren Fläche zu vereinigen und den Eintritt von Gasen in den Mittelkörper zu unterbinden. Dementsprechend besitzt der Mittelkörper keine konkave Fläche an seinem stromabwärtigen Ende, welche den Eintritt von Gasen in den Mittelkörper zulassen würde.
Die stromabwärtige Endfläche 84 ist axial beabstandet von dem stromabwärtigen Ende der Wand durch eine Strecke Ca, unter Freilassung eines Spaltes dazwischen zum Bereitstellen eines sprunghaften Ausdehnungsbereiches Re innerhalb der inneren Kammer für die Luft stromabwärts des Mittelkörpers. Der Axialspalt Ca kann in einem Bereich liegen von etwa 2% bis zu 4% der Länge Lc der inneren Luftkammer, kann jedoch in einigen Ausführungsbeispielen bis zu 10% der Länge der inneren Luftkammer betragen. Die axiale Länge Lcb des Mittelkörpers ist grösser als die halbe axiale Länge der inneren Wand Lw oder der inneren Kammer Lc. Der bevorzugte Bereich für die Länge des Mittelkörpers ist sieben Zehntel bis zu neun Zehntel der Länge Lc der inneren Kammer (0.9 ≥ Lcb/Lc ≥ 0.7). Der bevorzugte Bereich für die Querschnittsfläche des Mittelkörpers in dem Bereich der sprunghaften Ausdehnung Re beträgt zwei Zehntel bis zu sechs Zehntel der Querschnittsfläche der inneren Luftkammer an dieser Stelle (0.6 ≥ Acb/Ac ≥ 0.2).
Eine Vielzahl von Wirbelschaufeln, wie durch die zwei Wirbelschaufeln 86 dargestellt, befinden sich in dem ersten Durchlass an einer axialen Stelle, die etwa auf der halben Strecke liegt zwischen dem stromaufwärtigen Ende 72 und dem stromabwärtigen Ende 74 der inneren Wand. Die Wirbelschaufeln erstrecken sich zwischen dem Wärmeschild 70 der inneren Wand 66 und dem Mittelkörper 76 zum Tragen des Mittelkörpers. Die Wirbelschaufeln dienen als Einrichtung, um der durch den ersten Durchlass 82 strömenden Luft eine Tangentialgeschwindigkeit zu erteilen.
In anderen Ausführungsbeispielen könnten sich die Wirbelschaufeln durch das Wärmeschild zu der benachbarten Struktur der inneren Wand erstrecken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Wirbelschaufeln einen Winkel von etwa vierzig (40) Grad.
Die erste, äussere Wand 56 ist radial beabstandet von der inneren Wand 66 unter Freilassung eines zweiten, ringförmigen Durchlasses 57 für Flüssigkraftstoff dazwischen. Die erste, äussere Wand ist hohl mit einem inneren Spalt G9 längs einem axialen Teil der ersten, äusseren Wand benachbart zu dem zweiten, ringförmigen Durchlass. Der zweite, ringförmige Durchlass hat ein stromabwärtiges Ende 88 zum Abgeben von Flüssigkraftstoff in den Auslassbereich der Kraftstoffeinspritzdüse. Ein ringförmiger Vorsprung 92 von der inneren Wand 66 erstreckt sich in Umfangsrichtung zwischen der inneren Wand und der ersten, äusseren Wand. Eine Vielzahl von axial verlaufenden Öffnungen 94 unterteilen den Durchlass für Flüssigkraftstoff in eine stromaufwärtige Zone 96 und eine stromabwärtige Zone 98 und helfen zur Dosierung der Kraftstoffströmung zwischen der stromaufwärtigen Zone und der stromabwärtigen Zone und in den Auslassbereich 75.
Das Gehäuse 58 hat eine zweite, äussere Wand 102, die radial beabstandet ist von der ersten, äusseren Wand 56 unter Freilassung eines dritten, ringförmigen Luftdurchlasses 104 dazwischen. Der dritte, ringförmige Durchlass hat ein stromaufwärtiges Ende 106, das offen ist zur Aufnahme von Luft von einer stromaufwärtigen Stelle, d. h. dem Auslassbereich 22 des Verdichterabschnittes 12. Der dritte Durchlass hat ein stromabwärtiges Ende 108 zum Abgeben von Luft in den Auslassbereich. Die zweite, äussere Wand 102 hat eine innere Fläche 110 am stromabwärtigen Ende 108. Die innere Fläche weist zur äusseren Fläche 55 der ersten, äusseren Wand hin. Die Fläche ist kegelförmig geformt und geneigt in Richtung zur Achse der Einspritzdüse Af. Der dritte Durchlass hat einen ringförmigen Einlassquerschnitt A&sub1; und einen ringförmigen Auslassquerschnitt Ae in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dem Durchlass und stromaufwärts weisend. Die ringförmige Querschnittsfläche nimmt ab von einem Wert Ai auf einen Wert Ae, der kleiner oder gleich ist zu der Hälfte des Wertes Ai. Dementsprechend hat der dritte Durchlass eine abnehmende Querschnittsfläche in der Nähe von wenigstens einer der Wände, zum Formen eines Beschleunigungsbereiches 112, um die Strömung vor dem Eintritt in den Auslassbereich zu beschleunigen.
Eine Einrichtung, um der durch den zweiten, ringförmigen Durchlass strömenden Luft eine Tangentialgeschwindigkeit zu erteilen, wie durch die zwei schräg gestellten Wirbelschaufeln 114 dargestellt, befindet sich in dem dritten, ringförmigen Durchlass. Die Wirbelschaufeln befinden sich in der Nähe des stromabwärtigen Endes der Einspritzdüse. Die Wirbelschaufeln sind axial beabstandet von dem Beschleunigungsabschnitt des dritten Durchlasses in stromaufwärtiger Richtung, zum Freilassen eines Mischabschnittes 116 dazwischen.
Der kegelförmige Ablenkteil 64 des Gehäuses hat eine kegelförmigen Ablenker 117, der einteilig mit dem Gehäuse verbunden ist. Der kegelförmige Ablenker erstreckt sich einwärts zur Achse Af der Einspritzdüse zum Ablenken der Wirbelluft in dem dritten, ringförmigen Durchlass 104 zu dem von dem zweiten, ringförmigen Durchlass 57 abgegebenen Flüssigkraftstoff.
Ein vierter, ringförmiger Durchlass 118 befindet sich in dem Gehäuse zum Abgeben von Gas in den dritten Durchlass. Der vierte Durchlass ist in Strömungsverbindung mit dem Mischabschnitt 116 des dritten Durchlasses an einer axialen Stelle stromabwärts der Tangentialgeschwindigkeitserteilungs- einrichtung 114 und stromaufwärts des Beschleunigungsabschnittes 112. Der vierte Durchlass hat eine Vielzahl von umfangsmässig beabstandeten Öffnungen 122, die durch das Gehäuse ragen. Die Öffnungen sind in Strömungsverbindung mit dem Mischabschnitt 116 des dritten, ringförmigen Durchlasses.
Die Fig. 3 ist eine vergrösserte Ansicht eines Teiles der Kraftstoffeinspritzdüse gemäss der Fig. 2. Die Fig. 3 zeigt den dritten, ringförmigen Durchlass 104, die Wirbeleinrichtung 114, den Mischabschnitt 116, und einen Teil des Beschleunigungsabschnittes 112.
Die Öffnungen 122 sind bemessen zum Einspritzen des Gases in den Mischabschnitt 116 mit einer Geschwindigkeitskomponente, die in Radialrichtung gerichtet ist. Jede dieser Öffnungen ist kreisförmig im Querschnitt und hat einen Durchmesser d. Jede Öffnung befindet sich in nächster Nähe der Wirbeleinrichtung 114 und des Beschleunigungsabschnittes 112 damit die Strecke Lt von der Öffnung zu der Wirbeleinrichtung 114 und die Strecke La von der Öffnung zu dem Beschleunigungsabschnitt kleiner oder gleich sind zu dem Durchmesser der axialen Länge der Öffnung. Wie schematisch dargestellt kann die Öffnung ein Schlitz sein, dessen axiale Länge grösser ist als seine Breite in Umfangsrichtung.
Die erste Leitungseinrichtung 44 ist in Strömungsverbindung mit dem vierten, ringförmigen Durchlass 118. Die erste Leitungseinrichtung dient zum Empfangen von gasförmigem Kraftstoff von der gasförmigen Kraftstoffquelle 34 und von gasförmigem Wasser (Dampf) von der Dampfquelle 38. Unter einigen Betriebsbedingungen des Triebwerkes, ist es möglich ausschliesslich Dampf durch den gasförmigen Kraftstoffdurchlass zu leiten. Die zweite Leitungseinrichtung 46 erstreckt sich quer durch den dritten, ringförmigen Luftdurchlass 104 zu dem zweiten, ringförmigen Kraftstoffdurchlass 57. Die zweite Leitungseinrichtung 46 ist in Strömungsverbindung mit der Flüssigkraftstoffquelle 32 und der Wasserquelle 36. Die axiale Lage der zweiten Leitungseinrichtung befindet sich in der Nähe des stromaufwärtigen Endes 48 der Kraftstoffeinspritzdüse zum Minimieren der Unterbrechung der ringförmigen Luftströmung in dem Luftdurchlass 104 bevor die Luft zwischen den stromabwärtigen Wirbelschaufeln 114 hindurch fliesst.
Die Fig. 4 ist eine Querschnittansicht eines anderen Ausführungsbeispieles 28a der in Fig. 2 dargestellten Kraftstoffeinspritzdüse. Wegen der Ähnlichkeit zwischen den Kraftstoffeinspritzdüsen sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, wie sie in Verbindung nach Fig. 2 benutzt worden sind unter Hinzufügung des Indexes a. Dementsprechend hat die Kraftstoffeinspritzdüse in Fig. 2 das Bezugszeichen 28 und die Kraftstoffeinspritzdüse in Fig. 4 hat das Bezugszeichen 28a.
Ausser den in Fig. 2 gezeigten Bauteilen, hat die Kraftstoffeinspritzdüse 28a eine Einrichtung 124 zum Einleiten von gasförmigem Fluid in den ersten, ringförmigen Durchlass 82, welche die innere Einrichtung ist zum Bilden eines ringförmigen Luftstroms, der um die Achse Af der Kraftstoffeinspritzdüse rotiert. Die Einrichtung 124 hat einen ringförmigen Durchlass 126, der sich in Umfangsrichtung um die Kraftstoffeinspritzdüse erstrecken. Eine Vielzahl von umfangsmässig beabstandeten, örtlichen Düsen 128 erstrecken sich über den dritten, ringförmigen Luftdurchlass 104a. Jede Düse 128 hat eine Öffnung 132 zum Abgeben eines gasförmigen Fluids, wie zum Beispiel Dampf in die innere Luftkammer 68a. Die Einrichtung 124 ist in Strömungsverbindung mit einer Dampfquelle über die Leitung 134. Dies stellt die Möglichkeit bereit zum Einspritzen eines Dampfvolumens in den inneren Hohlraum zusätzlich zu der Dampfströmung in dem vierten, ringförmigen Durchlass 118 für gasförmiges Fluid. Unter anderen Betriebsbedingungen kann der vierte, ringförmige Durchlass gasförmigen Kraftstoff empfangen.
Die Fig. 4a ist eine Querschnittansicht einer zweiten Einrichtung 136 zum Einleiten von Dampf in die Kraftstoffeinspritzdüse. Dies ist ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Einrichtung 134 zum Einleiten von Dampf gemäss der Fig. 4. Die Einrichtung 136 hat eine Vielzahl von Öffnungen in Strömungsverbindung mit dem Durchlass 126 in dem Gehäuse 58a für Dampf. Die Einrichtung 136 hat Öffnungen 138, welche bemessen sind, um, unter Betriebsbedingungen, Dampf hauptsächlich in den dritten, ringförmigen Luftdurchlass 104a oder den ersten, ringförmigen Luftdurchlass 82a, oder in beide Luftdurchlässe einzuleiten.
Während dem Betrieb der Axialstromrotationsmaschine 10 strömen Arbeitsmediumgase längs dem Arbeitsmediumströmungsweg 18. Die Gase sind in Form von Luft, wenn sie vom Verdichter in den Diffuserabschnitt 22 einströmen. Die Luft gelangt in das offene, stromaufwärtige Ende 48 der Kraftstoffeinspritzdüse und strömt durch den ersten, ringförmigen Durchlass 82 und den dritten, ringförmigen Durchlass 104 zum Bilden von Wirbelluftsäulen, welche radial voneinander beabstandet sind. Die Luftsäulen wirbeln in der gleichen Richtung bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Bei anderen Ausführungsbeispielen könnten die Luftsäulen in verschiedenen Richtungen wirbeln.
Je nach den Betriebsbedingungen wird flüssiges Fluid in Form von Kraftstoff oder Wasser oder ein Gemisch von Kraftstoff und Wasser durch den zweiten, ringförmigen Durchlass 57 zwischen diesen zwei Säulen geleitet. Das Wärmeschild 70 befindet sich zwischen dem ersten, ringförmigen Durchlass und dem zweiten, ringförmigen Durchlass und der Spalt Gs ist in der ersten, äusseren Wand. Diese blockieren die Wärmeübertragung von der Luft in dem ersten, ringförmigen Durchlass und dem dritten, ringförmigen Durchlass zu dem Flüssigkraftstoff und dem Wasser in dem zweiten, ringförmigen Durchlass. Das Flüssigfluid wird zu dem inneren Luftstrom hingeleitet durch den kegelförmigen Ablenker oder Filmformer 142 am stromabwärtigen Ende der ersten, äusseren Wand 56. Der kegelförmige Ablenker 117 an der dritten, äusseren Wand lenkt den äusseren Luftstrom ab in Richtung zu dem Kraftstoff- und/oder dem Wasserstrom, und erzeugt dabei eine Scherwirkung, wodurch das Fluid zerstäubt wird zum Erzielen einer guten Verteilung des Fluides in der Luft. Die Verbrennung erfolgt stromabwärts dieser Stelle.
Gasförmiges Fluid wird zugesetzt durch den dritten, ringförmigen Durchlass. Bei einer Betriebsbedingung kann zum Beispiel gasförmiger Dampf durch den dritten, ringförmigen Durchlass dem zerstäubten Flüssigkraftstoff zugesetzt werden. Abweichend dazu kann unter anderen Betriebsbedingungen gasförmiger Kraftstoff der einzige Kraftstoff sein, der ausserhalb des inneren Wirbelluftstroms zugesetzt wird. Bei dieser Betriebsbedingung wird nur Wasser durch den zweiten, ringförmigen Durchlass geleitet. Das Wasser wird verteilt durch die gleich-rotierenden Luftströme, nachdem der gasförmige Kraftstoff mit dem äusseren Luftstrom vorvermischt worden ist.
Wie ersichtlich ist die Konstruktion der Einspritzdüse kompakt und erlaubt den Betrieb der Kraftstoffeinspritzdüse mit vorvermischter Luft und gasförmigem Kraftstoff von dem vierten Durchlass und mit Wasser, oder Kraftstoff, oder einem Gemisch von Wasser und Kraftstoff von dem zweiten Durchlass. Abweichend dazu könnte der vierte Durchlass herangezogen werden zum Hinzusetzen von Dampf, der mit dem äusseren Luftstrom vorvermischt ist. Das Luft-Dampfgemisch wird dann vermischt mit dem zerstäubten Kraftstoff, Wasser, oder Wasser und Kraftstoffgemischen, von den zweiten Durchlass.
Ein besonderer Vorteil dieser Einspritzdüsengestaltung ist das Zusetzen von Gas über den Mischabschnitt 116, der in Strömungsverbindung ist über die Öffnungen 122 mit dem gasförmigen Kraftstoff oder dem gasförmigen Dampf. Beim Ablenken in Tangentialrichtung der verdichteten Luft, welche zwischen die Wirbelschaufeln 114 eintritt, wird die Luft komprimiert durch die Verringerung der Querschnittsfläche des dritten, ringförmigen Durchlasses, die durch das Vorhandensein der Wirbelschaufeln 114 bedingt ist. Die Wirbelluft dehnt sich in dem Mischabschnitt 116 aus zur Herabsetzung des Bewegungsmomentes der Luft, damit die Strahlen des gasförmigen Kraftstoffes oder Dampfes, welche durch die Öffnungen 122 einströmen besser in den Luftstrom eindringen können. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen bemessen, damit während dem Betrieb die Kraftstoff- oder Dampfstrahlen wenigstens bis zur Mitte des dritten, ringförmigen Luftdurchlasses eindringen. Das Einleiten von Kraftstoff an dieser Stelle nutzt den Druckabfall über der Wirbeleinrichtung 114 aus, um ein Zurückfliessen des brennbaren Gemisches in den dritten, ringförmigen Durchlass zu vermeiden. Die Vermeidung der Rückströmung verhindert eine höhere Verweilzeit des gasförmigen Kraftstoffes in diesem Bereich der Kraftstoffeinspritzdüse, wodurch eine Entzündung des brennbaren Kraftstoff-Luftgemisches an dieser Stelle und somit eine Beschädigung der Kraftstoffeinspritzdüse bedingt sein könnte.
Wenn das Gemisch des gasförmigen Kraftstoffes und der Luft den Mischabschnitt 112 des dritten, ringförmigen Durchlasses verlässt und in den Beschleunigungsabschnitt 116 eintritt, erfolgt eine rasche Beschleuningung der Strömung. Diese rasche Beschleunigung der Strömung wird erreicht durch eine Verringerung der Querschnittsfläche des dritten, ringförmigen Durchlasses in dem Beschleunigungsbereich und durch die Überführung der Strömung in Form eines freien Wirbels mit rotationsfreier Bewegung zu einem kleineren Radius. Die Herabsetzung der Querschnittsfläche und die Erhaltung des Drehimpulses bewirken eine rasche Beschleunigung der Strömung bei ihrer Rotation in Umfangsrichtung um die Achse Af der Kraftstoffeinspritzdüse. Es erfolgt eine rasche Vermischung und ein Abriss der Strömung von den Wänden des dritten, ringförmigen Durchlasses wird verhindert. Dies ist vorteilhaft, da ein Strömungsabriss zu einer Umwälzung der Strömung führen könnte, wodurch die Verweilzeit des Kraftstoff-Luftgemisches erhöht werden könnte. Die Verhinderung des Strömungsabrisses vermeidet dementsprechend die erhöhte Gefahr einer vorzeitigen Zündung in der Kraftstoffeinspritzdüse.
Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass die Vorvermischung des gasförmigen Kraftstoffes mit Luft vor der Vermischung des tragenden Luftstroms mit Wasser aus dem zweiten Durchlass und Luft aus dem ersten, rotierenden Luftstrom die Wassermenge herabsetzt, welche benötigt wird zum Erzielen eines annehmbaren Wertes der Stickoxidemissionen im Vergleich zu äquivalenten Lösungen, welche den gasförmigen Kraftstoff und die Luft nicht vorvermischen. Dementsprechend ist weniger Wasser erfordert für den gleichen Wert der Stickoxidemissionen. Dies ergibt eine Verminderung der beim Verbrennungsprozess entstehenden Kohlenstoffmonoxide. Demgemäss verbessert der erfindungsgemässe Aufbau in wesentlichem Masse den Betrieb mit niedriger Emission der Brennkammer. Nahezu das gleiche Ergebnis wird erreicht durch wirksameres Vermischen des Dampfes mit der Luft unter denjenigen Betriebsbedingungen, wobei: Dampf eingeleitet wird über den vierten, ringförmigen Durchlass; und, Kraftstoff oder ein Kraftstoff-Wassergemisch eingeleitet wird über den zweiten, ringförmigen Durchlass.
Eine gute Vermischung wird erreicht mit dem abgeänderten Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 4 und 4a, welche den gasförmigen Dampf vermischen entweder mit dem inneren Wirbelluftstrom oder dem äusseren Wirbelluftstrom.
Wie bei der zugrunde liegenden Kraftstoffeinspritzdüse gemäss der U. S. Patentschrift Nr. 4,977,740 lässt sich die Kraftstoffeinspritzdüse einfach zusammenbauen durch einteilige Verbindung des Leitungsteiles 62 mit dem kegelförmigen Ablenkteil 64 zum Bereitstellen eines ersten Gehäusemoduls. Der Gehäusemodul ist verschiebbar mit Bezug auf die innere Wand 66 und die erste, äussere Wand 56. Der Zusammenbau ist desweiteren vereinfacht durch die Modulbauweise der inneren Luftzufuhreinrichtung 54, welche die innere Wand 66 und ihr Wärmeschild 70 und den Mittelkörper 76 und die Wirbelschaufeln 86 umfasst, welche eine Einheit bilden können. Die Wirbelschaufeln 86 können am Wärmeschild 70 oder an der inneren Wand 66 anliegen. Falls die Schaufeln am Wärmeschild 70 anliegen, stellt die abnehmende lichte Weite der inneren Wand das Zurückhalten der Wirbelschaufeln sicher, falls die Wirbelschaufeln sich aus irgendeinem Grunde von dem Wärmeschild lösen sollten.
Für den Zusammenbau kann die innere Luftzufuhreinrichtung zu einer einteiligen Baueinheit zusammengefügt werden und das Gehäuse mit dem kegelförmigen Ablenker kann zu einer anderen, einteiligen Einheit vereinigt werden. Die erste, äussere Wand 56 ist aufschiebbar über die innere Luftzufuhreinrichtung und das Gehäuse ist aufschiebbar über die erste, äussere Wand, um den zusammengebauten Zustand bereitzustellen. Danach werden die erste und die zweite Leitung durch das Gehäuse eingesetzt, um die Konstruktion zu vervollständigen. Bei dem abgeänderten Ausführungsbeispiel wird die dritte Leitung und entweder die Einrichtung 124 oder 136 zu dem Gehäuse hinzugefügt für die Dampfzuführung.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzdüse für einen Gasturbinenmotor mit Durchlässen für Luft, für ein flüssiges Fluid und für ein gasförmiges Fluid, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse (28) sich in Umfangsrichtung um eine Achse (Af) erstreckt und einen Auslaßbereich (75) an einem stromabwärtigen Ende der Einspritzdüse (28) aufweist, welche versehen ist mit:

einer Einrichtung zum Formen eines ersten ringförmigen Luftstroms, welcher um die Achse (Af) rotiert und zum Abgeben des Stroms in den Auslaßbereich (75), und zum Führen des Stroms in einer ersten Richtung;

einer Einrichtung zum Formen eines zweiten ringförmigen Luftstroms, der um die Achse (Af) rotiert, und zum Abgeben des Stroms in den Auslaßbereich (75), und zum Führen des Stroms in einer zweiten Richtung zum ersten ringförmigen Strom hin, wobei der erste ringförmige Strom radial beabstandet ist von dem zweiten ringförmigen Strom mindestens über einen Teil seiner axialen Erstreckung;

einer Einrichtung zum Strömenlassen des flüssigen Fluids durch die Einspritzdüse (28) zwischen den zwei rotierenden Strömen vor dem Abgeben von der Einspritzdüse (28) in den Auslaßbereich und zum Abgeben des flüssigen Fluids zwischen den rotierenden Strömen in den Auslaßbereich (75); und,

einer Einrichtung zum Strömenlassen des gasförmigen Fluids;

wobei eines der Fluids Kraftstoff in der geeigneten Zustandsform und das andere Fluid Wasser in der geeigneten Zustandsform ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Strömenlassen des gasförmigen Fluids geformt ist zum Strömenlassen des gasförmigen Fluids in einen der beiden Luftströme vor dem Vermischen des Luftstroms und des gasförmigen Fluids mit dem flüssigen Fluid oder dem anderen Luftstrom;

und wobei die Vermischung zwischen der Luft und dem gasförmigen Fluid vor der Vermischung mit dem flüssigen Fluid ein einheitlicheres Gemisch für die Verbrennung ergibt.

2. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Strömenlassen des gasförmigen Fluids eine Einrichtung ist zum Strömenlassen von Kraftstoff.

3. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Strömenlassen des flüssigen Fluids eine Einrichtung ist, um wenigstens zum Teil Kraftstoff strömen zu lassen, und die Einrichtung zum Strömenlassen des gasförmigen Fluids eine Einrichtung ist zum Strömenlassen von Wasser in der dampfförmigen Zustandsform.

4. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Strömenlassen des flüssigen Fluids eine Einrichtung ist zum Strömenlassen eines Kraftstoff- und Wassergemisches.

5. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste ringförmige Luftstrom sich radial innerhalb des zweiten ringförmigen Luftstroms befindet, und daß die Einrichtung zum Strömenlassen von gasförmigem Fluid in eine der beiden Luftströme eine Einrichtung ist zum Strömenlassen von Dampf und in Strömungsverbindung ist mit dem ersten (inneren) Luftstrom.

6. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse ein stromaufwärtiges Ende (48) hat, ein stromabwärtiges Ende (52), eine innere Luftkammer (68), eine innere Wand (66), die sich in Umfangsrichtung erstreckt zum Begrenzen der inneren Luftkammer (68), einen Mittelkörper (76a) innerhalb der inneren Luftkammer (68) und radial beabstandet von der inneren Wand (66) unter Freilassung eines ringförmigen Durchlasses (82a) für den ersten Luftstrom dazwischen, eine äußere Wand (102), die radial beabstandet ist von der inneren Wand (66) unter Freilassung eines zweiten ringförmigen Durchlasses (104a) dazwischen für den zweiten Luftstrom, der zum Teil begrenzt ist durch die äußere Wand (102), und daß die Einrichtung zum Strömenlassen von Dampf einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Dampfdurchlaß (126) aufweist, der zum Teil begrenzt ist durch die äußere Wand (102) und eine Vielzahl von Leitungsstücken (128) aufweist, die in Umfangsrichtung um das stromaufwärtige Ende (48) der Kraftstoffeinspritzdüse (28) beabstandet sind, welche in Strömungsverbindung sind mit dem ringförmigen Durchlaß (82a) für den ersten Luftstrom und dem ringförmigen Dampfdurchlaß (126).

7. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste ringförmige Luftstrom sich radial innerhalb des zweiten ringförmigen Luftstroms befindet, und daß die Einrichtung zum Strömenlassen von gasförmigem Fluid in einen der beiden Luftströme eine Einrichtung ist zum Strömenlassen von Dampf und in Strömungsverbindung ist mit dem zweiten (äußeren) Luftstrom.

8. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite ringförmige Luftstrom sich radial außerhalb des ersten ringförmigen Luftstroms befindet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (26) desweiteren einen ringförmigen Durchlaß (104; 104a) aufweist, der den zweiten ringförmigen Luftstrom begrenzt, wobei der Durchlaß (104; 104a) einen Mischabschnitt (116; 116a) aufweist, der in Strömungsverbindung ist mit dem gasförmigen Fluid, und daß der ringförmige Durchlaß (104; 104a) eine Wirbeleinrichtung (114; 114a) aufweist, um der Luft, die stromabwärts von dem Mischabschnitt (116; 116a) ist, eine Tangential-Geschwindigkeitskomponente zu erteilen.

9. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinrichtung (114; 114a) eine Vielzahl von Wirbelschaufeln (114; 114a) hat.

10. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (104; 104a) einen Beschleunigungsabschnitt (112; 112a) stromabwärts des Mischabschnittes (116; 116a) aufweist, dessen Schnittfläche konvergent ist und der zur Achse (Af) der Kraftstoffeinspritzdüse (28) geneigt ist.

11. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Durchlaß (104; 104a) zum Teil durch eine äußere Wand (102) begrenzt ist und daß eine Vielzahl von umfangsmäßig beabstandeten Öffnungen (122; 122a) den Mischbereich (116; 116a) in Strömungsverbindung mit dem gasförmigen Fluid setzen.

12. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (122; 122a) gekrümmt sind im Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung des gasförmigen Fluids.

13. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (122; 122a) kreisförmig im Querschnitt sind.

14. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (122; 122a) Schlitze sind mit einer axialen Länge, welche größer ist als die Breite in Umfangsrichtung.

15. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinrichtung (114; 114a) und der Beschleunigungsabschnitt (112; 112a) axial beabstandet sind von den Öffnungen (122; 122a), um ein Maß, das nicht größer ist als die axiale Länge der Öffnung.

16. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (122; 122a) in Strömungsverbindung sind mit einer Dampfquelle.

17. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (122; 122a) in Strömungsverbindung sind mit einer Kraftstoffquelle.

18. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

eine innere Wand (66), die sich in Umfangsrichtung um die Achse (Af) erstreckt unter Freilassung einer inneren Luftkammer (68) innerhalb der inneren Wand (66), wobei die innere Luftkammer (68) ein stromaufwärtiges Ende (72) hat, das offen ist zur Aufnahme von Luft von einer stromaufwärtigen Stelle und ein stromabwärtiges Ende (74) zum Abgeben der Luft in den Auslaßbereich (75),

einen sich axial erstreckenden Mittelkörper (76), der in der inneren Kammer (68) angeordnet ist, wobei der Mittelkörper (76) eine äußere Oberfläche (78) aufweist, die sich axial erstreckt und radial beabstandet ist von der inneren Wand (66) unter Freilassung eines ersten ringförmigen Durchlasses (82) für den ersten Luftstrom dazwischen, wobei der Mittelkörper (76) eine stromabwärtige Endfläche (84) aufweist, die sich radial erstreckt, um sich an die äußere Fläche (78) anzuschließen und das Einströmen von Gasen in den Mittelkörper (76) zu verhindern, wobei die stromabwärtige Endfläche (84) radial beabstandet ist von dem stromabwärtigen Ende (74) der inneren Wand (66), um einen Spalt Ca dazwischen freizulassen, zur Bildung eines Bereiches plötzlicher Ausdehnung stromabwärts des Mittelkörpers (76) innerhalb der inneren Kammer (68);

eine Einrichtung (86), um dem ersten Luftstrom, der durch den ersten ringförmigen Durchlaß (82) strömt, eine tangentiale Geschwindigkeit zu erteilen, welche Einrichtung in dem ersten, ringförmigen Durchlaß (82) angeordnet ist;

eine erste äußere Wand (56), die radial beabstandet ist von der inneren Wand (66) unter Freilassung eines zweiten ringförmigen Durchlasses (57) für das flüssige Fluid dazwischen, wobei der zweite ringförmige Durchlaß (57) ein stromabwärtiges Ende (88) aufweist, zum Abgeben von flüssigem Fluid in den Auslaßbereich (75), wobei die erste äußere Wand (56) eine äußere Oberfläche (55) am stromabwärtigen Ende aufweist, welche kegelförmig ist und zur Achse (Af) der Einspritzdüse (28) geneigt ist;

ein Gehäuse (58) mit einer zweiten äußeren Wand (102), die radial beabstandet ist von der ersten äußeren Wand (56) unter Freilassung eines dritten ringförmigen Durchlasses (104) für den zweiten Luftstrom dazwischen, wobei der dritte ringförmige Durchlaß (104) ein stromaufwärtiges Ende (106) aufweist, das offen ist zur Aufnahme von Luft von einer stromaufwärtigen Stelle, und ein stromabwärtiges Ende (108) zum Abgeben von Luft in den Auslaßbereich (75), wobei die zweite äußere Wand (102) eine innere Oberfläche (110) am stromabwärtigen Ende (108) aufweist, die zur äußeren Oberfläche (55) der ersten äußeren Wand (56) hin weist und kegelförmig geformt sowie zur Achse (Af) der Einspritzdüse (28) geneigt ist, wobei der dritte ringförmige Durchlaß (104) eine abnehmende Querschnittsfläche aufweist in der Nähe von mindestens einer der beiden Wände (56, 102) zum Formen eines Beschleunigungsbereiches (112) zur Beschleunigung der Strömung vor dem Eintritt in den Auslaßbereich (75), wobei die ringförmige Querschnittsfläche abnimmt von einem Wert Ai auf einen Wert Ae, der geringer oder gleich ist als die Hälfte von Ai;

eine Einrichtung (114), um dem zweiten Luftstrom, der durch den dritten ringförmigen Durchlaß (104) strömt, eine Tangential-Geschwindigkeit zu erteilen, wobei diese Einrichtung in dem dritten ringförmigen Durchlaß (104) angeordnet ist, an einer axialen. Stelle, benachbart zu der axialen Stelle des stromabwärtigen Endes (74) der inneren Wand (66) und axial beabstandet ist von dem Beschleunigungsbereich (112) des dritten ringförmigen Durchlasses (104) in stromaufwärtiger Richtung, um einen Mischbereich (116) dazwischen freizulassen;

einen vierten ringförmigen Durchlaß (118) in dem Gehäuse (58) zum Abgeben des gasförmigen Fluids in den dritten ringförmigen Durchlaß (104), wobei der vierte ringförmige Durchlaß (118) in Strömungsverbindung ist mit dem Mischabschnitt (116) des dritten ringförmigen Durchlasses (104) an einer axialen Stelle stromabwärts der Einrichtung (114) zur Erteilung einer Tangential- Geschwindigkeit und stromaufwärts des Beschleunigungsabschnittes (112), wobei der vierte ringförmige Durchlaß (118) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen (122) aufweist, die bemessen sind zum Einspritzen des gasförmigen Fluids in den Mischabschnitt (116) mit einer Geschwindigkeitskomponente, die sich in Radialrichtung erstreckt, wobei jede der Öffnungen (122) kreisförmig im Querschnitt ist und einen Durchmesser d aufweist und sich in unmittelbarer Nähe der Einrichtung (114) zur Erteilung einer Tangential-Geschwindigkeit und dem Beschleunigungsbereich (112) befindet, damit der Abstand Lt von den Öffnungen (122) zu der Einrichtung (114) zur Erteilung einer Tangential-Geschwindigkeit und der Abstand La von den Öffnungen (122) zu dem Beschleunigungsabschnitt (112) kleiner sind als/oder gleich sind zu dem Durchmesser der Öffnungen (122);

eine erste Leitungseinrichtung (44), die in Strömungsverbindung ist mit dem vierten ringförmigen Durchlaß (118) und welche ausgelegt ist, um in Strömungsverbindung zu sein mit mindestens einer Quelle von gasförmigem Fluid; und

eine zweite Leitungseinrichtung (46), die sich durch den dritten ringförmigen Durchlaß (104) erstreckt zu dem zweiten ringförmigen Durchlaß (57) für das flüssige Fluid, die in Strömungsverbindung ist mit dem zweiten ringförmigen Durchlaß (57) und welche ausgelegt ist, um in Strömungsverbindung zu sein mit einer Quelle von flüssigem Fluid.

19. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte ringförmige Durchlaß (118) in Strömungsverbindung ist mit einer Quelle von gasförmigem Kraftstoff (34) und der zweite ringförmige Durchlaß (57) in Strömungsverbindung ist mit einer Wasserquelle (36).

20. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte ringförmige Durchlaß (118) in Strömungsverbindung ist mit einer Quelle von gasförmigem Kraftstoff (34) und der zweite ringförmige Durchlaß (57) in Strömungsverbindung ist mit einer Kraftstoffquelle (32).

21. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte ringförmige Durchlaß (118) in Strömungsverbindung ist mit einer Dampfquelle (38) und der zweite ringförmige Durchlaß (57) in Strömungsverbindung ist mit einer Wasserquelle (36).

22. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte ringförmige Durchlaß (118) in Strömungsverbindung ist mit einer Dampfquelle (38) und der zweite ringförmige Durchlaß (57) in Strömungsverbindung ist mit einer Wasser- und Kraftstoffquelle (32, 36).

23. Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte ringförmige Durchlaß (118) in Strömungsverbindung ist mit einer Dampfquelle (38) und der zweite ringförmige Durchlaß (57) in Strömungsverbindung ist mit einer Kraftstoffquelle (32).

24. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzdüse für ein Gasturbinentriebwerk mit Durchlässen für Luft, für ein flüssiges Fluid und für ein gasförmiges Fluid, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse (28) sich in Umfangsrichtung um eine Achse (Af) erstreckt und einen Auslaßbereich (75) an einem stromabwärtigen Ende der Einspritzdüse (28) aufweist, gemäß folgenden Schritten:

Formen eines ersten ringförmigen Luftstroms, der um die Achse (Af) rotiert und Abgeben des Stroms in den Auslaßbereich (75), und Leiten des Stroms in einer ersten Richtung;

Formen eines zweiten ringförmigen Luftstroms, der um die Achse (Af) rotiert, und Abgeben des Stroms in den Auslaßbereich (75), und Leiten der Stroms in einer zweiten Richtung in Richtung zu dem ersten ringförmigen Strom, wobei der erste ringförmige Strom radial beabstandet ist von dem zweiten ringförmigen Strom über mindestens einen Teil seiner axialen Erstreckung;

Strömenlassen des flüssigen Fluids durch die Einspritzdüse (28) zwischen den zwei rotierenden Strömen vor der Abgabe aus der Einspritzdüse in den Auslaßbereich (75) und zum Ausströmenlassen des flüssigen Fluids zwischen den rotierenden Strömen in den Auslaßbereich (75); und

Strömenlassen des gasförmigen Fluids durch die Einspritzdüse (28);

wobei eines der Fluids Kraftstoff in der geeigneten Zustandsform und das andere Fluid Wasser in der geeigneten Zustandsform ist;

gekennzeichnet durch Strömenlassen des gasförmigen Fluids in einen der beiden Luftströme vor dem Mischen des Luftstroms und des gasförmigen Fluids mit dem flüssigen Fluid oder dem anderen Luftstrom; und wobei die Mischung zwischen der Luft und dem gasförmigen Fluid vor der Mischung mit dem flüssigen Fluid ein einheitlicheres Gemisch für die Verbrennung ergibt.